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Miniaturlaser können Quantenlicht emittieren

Neuer Detektor kann einzelne Photonen mit Billionstel Sekunden Zeitauflösung aufspüren

Halbleiter-Mikrolaser aus Bremen, in dem Photonen auf sehr kleinem Raum eingeschlossen werden. Das Streifenmuster gehört zu Viertelwellenschichten, die Spiegel mit sehr hohen Reflektivitäten bilden. Die Laseremission erfolgt in vertikaler Richtung. Im Inneren des Mikrolasers befinden sich Quantenpunkte von der Größe weniger Nanometer zur Erzeugung der Photonen. Probenwachstum: Dr. C. Kruse, Mikrostrukturierung und Abbildung: Dr. H. Lohmeyer © Institut für Festkörperphysik der Universität Bremen

Wissenschaftler haben einen richtungsweisenden Schritt in der Grundlagenforschung der Optoelektronik getan. Ihnen ist es gelungen, in Mikrolasern neue Eigenschaften des Lichts vorherzusagen und zu beobachten. Geholfen hat ihnen dabei ein neuer Detektor, der einzelne Photonen mit Billionstel Sekunden Zeitauflösung aufspüren kann.

Die Forscher um Professor Frank Jahnke von der Universität Bremen stellen zusammen mit Kollegen der Technischen Universität Dortmund und der Universität Würzburg ihre Ergebnisse im Wissenschaftsmagazin „Nature“ vor.

Licht besteht aus kleinen Paketen

Seit mehr als hundert Jahren ist bekannt, dass Licht aus kleinen Paketen, den so genannten Photonen besteht. Die Entdeckung dieser Quantisierung des Lichtfeldes hat ein neues Gebiet der Physik eröffnet: die Quantenoptik. Das wichtigste Ergebnis dieser Arbeiten war die Entwicklung von Lasern, die bis heute in rasanter Folge zu immer neuen Anwendungen führen.

Diese zeigt sich am deutlichsten bei den Fortschritten in der optischen Datenspeicherung auf CDs, DVDs und BDs sowie bei der optischen Datenübertragung durch Glasfasern, die heute das Internet bestimmt. Alltägliche Anwendungen von Halbleiterlasern reichen von Laserdruckern bis zu Barcode-Lesegeräten in jedem Supermarkt.

Pionierleistungen der Quantenoptik

Eine der Pionierleistungen in der Quantenoptik war der Vorschlag von Roy Glauber aus den 60er Jahren Lichtquellen darüber zu charakterisieren, in welcher zeitlichen Abfolge die ausgesendeten Photonen bei einem Beobachter ankommen. Unter anderem dafür erhielt er 2005 den Nobelpreis.

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So findet man für die thermische Strahlung von Glühlampen oder im Sonnenlicht, dass Photonen bevorzugt unmittelbar nacheinander ankommen statt mit zeitlichem Versatz. Für Laserlicht hingegen tritt keine solche „Klumpung“ – englisch = bunching – der Photonen auf: Jede beliebige zeitliche Verzögerung zwischen zwei Photonen ist gleich wahrscheinlich.

Deutschland führend bei der Herstellung von Mikrolasern

Aktuelle Entwicklungen bestehen darin, wenige Photonen auf sehr kleinen räumlichen Ausdehnungen, die der Lichtwellenlänge selbst nahe kommen, zu speichern. In diesen Mikrolasern werden als aktives Material so genannte Halbleiter-Quantenpunkte verwendet, die nur einige Nanometer groß sind. Diese Laser, bei deren Herstellung Deutschland führend ist, sollen die Grundlage für zukünftige Generationen von Bauelementen bilden.

Neues Messverfahren

Für die die neue Studie wurden zwei Proben aus Würzburg sowie eine Probe aus Bremen verwendet. Letztere stammt aus der Gruppe von Professor Detlef Hommel am Institut für Festkörperphysik. In den Experimenten der Forscher um Professor Manfred Bayer an der Technischen Universität Dortmund wurden die einzelnen Photonen in der Lichtemission aus den Mikrolasern mit einem neuen Messverfahren erfasst, das erstmals auch die genaue Bestimmung der zeitlichen Abfolge der einzelnen Photonen ermöglicht.

Das Team um Jahnke am Institut für Theoretische Physik an der Uni Bremen hatte gleichzeitig neue Eigenschaften im Photonenstrom vorhergesagt. Wegen der sehr geringen Anzahl von Photonen und Emittern im Laser wird das System jedes Mal durch die Emission eines einzelnen Photons nachhaltig gestört und zu Schwingungen angeregt. Darüberhinaus konnten die Forscher eine „Entklumpung“ demonstrieren. Hierbei wird es im Unterschied zu gewöhnlichen Lasern sogar unwahrscheinlicher, zwei Photonen in direkter zeitlicher Abfolge vorzufinden.

Viele Anwendungsmöglichkeiten

Die Untersuchungen der Lichteigenschaften im Grenzfall weniger Photonen berühren nach Angaben der Wissenschaftler grundlegende Fragen der Quantenmechanik. Aber auch hierbei eröffnen sich bereits praktische Anwendungen.

So können einzelne Photonen zur abhörsicheren Datenübertragung im Rahmen der so genannten Quantenkryptographie eingesetzt werden. Seit einiger Zeit zeichnet sich das neue Gebiet der Quanteninformationstechnologien ab, in dem die quantenmechanischen Eigenschaften einzelner Elektronen und Photonen in neuartigen Computern oder Datenübertragungsmedien genutzt werden sollen.

(idw – Universität Bremen, 10.07.2009 – DLO)

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